德州仪器 TPS211x 系列电源多路复用器：特性、应用与设计要点

在电子设备的电源管理领域，电源多路复用器扮演着至关重要的角色。德州仪器（TI）推出的 TPS211x 系列电源多路复用器，为电子工程师们提供了一种高效、可靠的解决方案，可实现两个电源之间的无缝切换。本文将详细介绍 TPS211x 系列的特性、应用场景以及设计要点。

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一、TPS211x 系列概述

TPS211x 系列包括 TPS2110、TPS2111 等型号，是一种双输入、单输出的电源多路复用器，采用低导通电阻（rDS(on)）开关，能够在 2.8V 至 5.5V 的宽工作电压范围内工作，适用于多种电子设备。

1. 主要特性

• 低导通电阻：TPS2111 的典型 rDS(on) 为 84mΩ，TPS2110 为 120mΩ，可有效降低功耗。
• 反向和交叉导通阻断：防止电流反向流动和交叉导通，提高电源切换的安全性。
• 宽工作电压范围：2.8V 至 5.5V 的工作电压范围，可适应不同的电源输入。
• 低待机和工作电流：典型待机电流为 0.5μA，典型工作电流为 55μA，有助于降低功耗。
• 可调电流限制：通过连接到 ILIM 引脚的电阻 RILIM 可设置电流限制，TPS2110 的电流限制范围为 0.31 - 0.75A，TPS2111 为 0.63 - 1.25A。
• 可控输出电压过渡时间：限制浪涌电流，减少输出电压保持电容的需求。
• CMOS 和 TTL 兼容控制输入：方便与不同类型的逻辑电路接口。
• 手动和自动切换操作模式：提供灵活的电源切换方式。
• 热关断保护：当芯片温度过高时，自动关断以保护芯片。
• TSSOP - 8 封装：体积小巧，便于 PCB 布局。

2. 应用场景

TPS211x 系列适用于多种电子设备，如个人电脑（PC）、个人数字助理（PDA）、数码相机、调制解调器、手机、数字收音机和 MP3 播放器等。

二、技术参数详解

1. 绝对最大额定值

在使用 TPS211x 系列时，需要注意其绝对最大额定值，以确保芯片的安全运行。例如，输入电压范围为 -0.3V 至 6V，连续输出电流 TPS2110 为 0.9A，TPS2111 为 1.5A，工作虚拟结温范围为 -40°C 至 125°C 等。

2. 推荐工作条件

推荐的输入电压范围为 1.5V 至 5.5V，具体取决于另一个输入电源的电压。电流限制调整范围根据不同型号有所不同，TPS2110 为 0.31 - 0.75A，TPS2111 为 0.63 - 1.25A。

3. 电气特性

• 功率开关：rDS(on) 随温度和输入电压的变化而变化，在 25°C 时，TPS2110 的 rDS(on) 典型值为 120mΩ，TPS2111 为 84mΩ。
• 逻辑输入：高电平输入电压 VIH 最小为 2V，低电平输入电压 VIL 最大为 0.7V。
• 电源和泄漏电流：不同工作模式下的电源电流和泄漏电流有所不同，待机电流较低，有助于降低功耗。
• 电流限制电路：电流限制精度与 RILIM 的阻值有关，电流限制建立时间约为 1ms。
• VSNS 比较器：VSNS 阈值电压在上升和下降时有所不同，具有一定的迟滞特性。
• UVLO（欠压锁定）：IN1 和 IN2 的 UVLO 阈值在上升和下降时也有不同，可防止电源电压过低时芯片误操作。
• 反向导通阻断：最小输出到输入电压差为 80 - 120mV 时可阻断开关。
• 热关断：热关断阈值为 135°C，恢复温度为 125°C，具有 10°C 的迟滞。

4. 开关特性

包括输出上升时间、下降时间、过渡时间和传播延迟等参数，这些参数对于电源切换的速度和稳定性至关重要。

三、工作模式与功能实现

1. 自动切换模式

当 D0 为逻辑 1 且 D1 为逻辑 0 时，进入自动切换模式。如果 VSNS 电压大于 0.8V，OUT 连接到 IN1；否则，OUT 连接到 IN1 和 IN2 中电压较高的一个。VSNS 引脚具有一定的迟滞特性，可避免因电阻压降导致的反复切换。

2. 手动切换模式

当 D0 为逻辑 0 时，进入手动切换模式。如果 D1 为逻辑 1，OUT 连接到 IN1；否则，OUT 连接到 IN2。

3. N 沟道 MOSFET

内部采用两个高端功率 MOSFET 实现单刀双掷（SPDT）开关，数字逻辑可选择 IN1 开关、IN2 开关或无开关（Hi - Z 状态）。MOSFET 没有并联二极管，可防止输出到输入的电流流动。

4. 交叉导通阻断

开关电路确保两个电源开关不会同时导通，通过比较器监测每个功率 FET 的栅源电压，只有当另一个 FET 的栅源电压低于导通阈值电压时，才允许该 FET 导通。

5. 反向导通阻断

当 TPS211x 从高电压电源切换到低电压电源时，可防止负载电容中的电流回流到低电压电源。只有当输出电压下降到与电源电压相差 100mV 以内时，才会将电源连接到输出。

6. 电荷泵

IN1 和 IN2 中电压较高的电源为内部电荷泵供电，电荷泵为电流限制放大器提供电源，并使输出 FET 的栅极电压高于 IN1 和 IN2 的电源电压，以确保 N 沟道 FET 能够导通。

7. 电流限制

通过连接到 ILIM 引脚的电阻 RILIM 可设置电流限制，TPS2110 的电流限制为 250/RILIM，TPS2111 为 500/RILIM。不建议将 RILIM 设置为零，以免禁用电流限制。

8. 输出电压压摆率控制

当 OUT 从 Hi - Z 状态切换到 IN1 或 IN2 时，TPS2110/1 以较慢的速率调节输出电压，可限制流入负载电容的浪涌电流。当 OUT 在 IN1 和 IN2 之间切换时，以较快的速率调节输出电压，可减少输出电压下降和输出电压保持电容的需求。

四、应用电路示例

1. 自动选择双电源应用

在某些应用中，当 IN1 的电压低于用户指定的阈值时，TPS2110/1 会自动选择两个电源中电压较高的一个。这种电路可确保设备在不同电源条件下稳定工作。

2. 手动切换电源源

通过 EN1 逻辑信号，可手动控制 OUT 连接到 IN1 或 IN2。D1 端子的逻辑阈值与 TTL 和 CMOS 逻辑兼容，方便与不同的控制电路接口。

五、封装与订购信息

TPS211x 系列采用 TSSOP - 8 封装，有多种订购选项可供选择，包括不同的包装形式（如 TUBE 和 LARGE T&R）和零件编号。同时，还提供了详细的封装材料信息，如磁带和卷轴的尺寸、管子的尺寸等，方便工程师进行 PCB 设计和组装。

六、设计要点与注意事项

• ESD 保护：这些设备的内置 ESD 保护有限，在存储或处理时，应将引脚短路或放置在导电泡沫中，以防止 MOS 栅极受到静电损坏。
• 电流限制设置：合理选择 RILIM 的阻值，以确保电流限制在合适的范围内，避免因电流过大损坏芯片。
• 输出电容选择：根据应用需求选择合适的输出电容，以满足输出电压保持和浪涌电流限制的要求。
• 热管理：注意芯片的热关断保护，确保芯片在正常的工作温度范围内运行，避免过热损坏。

总之，德州仪器的 TPS211x 系列电源多路复用器为电子工程师提供了一种高性能、可靠的电源切换解决方案。通过了解其特性、技术参数和工作模式，工程师们可以更好地设计出满足不同应用需求的电源管理电路。在实际应用中，还需要根据具体情况进行合理的设计和优化，以确保设备的稳定性和可靠性。你在使用 TPS211x 系列时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。